5G 基于单/多波束的统一RACH流程

在NR中，统一初始接入流程需考虑单波束和多波束操作。接入方案的设计应涵盖不同的场景以及TRP和UE的不同假设能力。在NR的低频网络中，TRP/UE的下行覆盖区域或上行覆盖距离可以由单个波束覆盖，这被称为基于单波束的方法。然而，在更高频率的情况下，由于较大的路径损耗，信道/信号传输严重依赖于高度定向链路。在这种情况下，需要多个定向波束来覆盖下行覆盖区域并执行初始接入，这称为基于多波束的方法。无论如何，从UE的角度来看，对于基于单波束或多波束的方法，初始接入过程应尽可能统一。

此外，TRP的不同波束赋形能力和UE的波束赋形能力也将影响基于波束的接入设计。例如，取决于TRP的波束赋形能力，它可能能够在一个方向、多个方向或实际上在所有可能的方向上同时发送同步信号。无论如何，对于TRP/UE的不同波束赋形能力，初始接入过程也应该尽可能统一。

对于高频情况下基于多波束的接入操作，小区所需的波束数量可能非常大。具有不同波束的初始接入信道/信号通常是具有相同传送信息的多次重复。与基于单波束的方法相比，这些信道/信号的开销随着小区中所需波束数的增加而增加。因此，基于波束接入的第一个问题是开销。

此外，由于UE的移动性，接收初始接入信道/信号的UE的服务波束可能需要改变。UE处频繁的波束切换将在可靠性方面带来新的挑战。所以，对于基于波束的初始接入信道/信号，NR系统设计中应考虑以下问题：

• 基于多波束方法的开销问题

• 基于波束传输的可靠性问题

初始接入流程取决于网络部署场景。考虑到单波束只是多波束的一个特例，多波束的设计也可以应用于单波束。以下设计适用于两种方法。

非独立场景中的初始接入

当NR在低频率（例如sub-6 GHz）和较高频率下工作时，NR较低频率的TRP可协助较高频率的TRP完成接入过程。此部署称为多连接操作。在这种情况下，假设UE已经实现到LF-TRP的粗略同步，并且已经连接到低频网络。非独立场景中的初始接入步骤如下图1所示：。

考虑到HF-TRP上的时间粒度可能更小，仍然需要HF-TRP上的精细同步来完成HF-TRP的符号/子帧定时。从图1可以看出，UE在从LF覆盖获得上行接入前导后执行随机接入。假设上下行保持信道互易性，UE可以将在下行同步信号（HF）接收期间检测到的优选下行接收宽波束视为上行接入前导（HF）传输的优选波束。甚至，UE可以利用一些窄波束扫描来提高TRP侧的SNR。波束扫描后，HF TRP决定最佳的Tx/Rx波束对。因此，在下面的步骤中，TRP将另外向UE通知最佳UE beam ID。此后，UE应使用窄波束进行传输和接收。

SA场景中的初始接入

在NR中，高频网络也可以独立运行。在这种情况下，除了小区搜索、粗同步和MIB/SIB传送之外，流程还应尽可能采用低频辅助高频的通用设计。基于波束赋形的SS/广播信道/SIB和相应的RACH传输的详细初始接入过程可以在图2中找到。

发送多个波束赋形的同步信号/广播信道，用于帧/子帧/符号定时、超cell ID识别和初始系统信息的获取。并且UE的前导/RAR 由与波束信息相关联的所选资源索引分组。为了在初始接入之前实现所选资源的上行响应，可使用该响应的专用新前导来指示所选资源索引。在UE连接到小区之后，gNB配置波束赋形RS以用于波束细化/移动性。

NR应针对不同的UE能力/类型（例如，eMBB/URLLC UE和mMTC UE）设计不同的同步信号和系统信息交付方法。为了在不同场景下的多个波束赋形控制面信道/信号（例如，同步信号和系统信息）的时延和开销之间进行折衷，可以考虑通过波束开/关逐渐按需传输，如图3所示，称为MBC（Multiple Beamforming for Control）。在图中，同步信号（SS）/mib/sib以always-on的方式传输，对于空闲ue和活动ue都具有长周期性。这些长周期的常开SS/MIB/SIB可用于维护基本同步和初始接入过程。此外，基于来自活动UE的关于这些始终在线的SS/mib/sib的反馈，TRP可以进一步打开那些优选的波束/资源，并以短周期发送一些按需SS/mib/sib以服务于那些活动UE。这些按需SS/mib/sib还可以使空闲UE受益，并帮助它们更高效地完成初始接入。然后关闭未检测到的波束/资源，短周期内不使用。

在图4中可以找到波束ON/OFF程序的图示。有源UE解析优选波束（例如，beam 2和4）并将其报告给TRP。基于此反馈，beam 2和4被打开，用于按需SS/MIB/SIB传输，beam 1、3和5未使用，因此被关闭。

在以下过程中，波束赋形系统信息（例如SIB1/SIB2）仅与所选波束一起发送。因此，对于基于多波束的方法，基于UE的波束发现过程的按需系统信息交付可以减少开销。同步信号和广播信道的占空比可以相应地伸缩。

信道将受到由移动或静止物体引起的阻塞效应的影响，此阻塞问题可能会严重影响无线链路的信道质量。为了缓解这种阻塞问题，基于波束的接入流程可以考虑多波束关联。UE同时保持与不同波束的多个连接，如图5所示。一些波束可能不用于传输，而仅用于备份。例如，UE可以测量和选择具有不同波束的多个SS资源，以保持粗略的时间/频率同步。此外，对于UE，如图5的右部分所示，可以同时发送多个前导码以克服UE的旋转或移动性的影响。

在LTE中，它允许在连续的四个帧中发送PBCH的最大四次组合，以提高PBCH的接收性能。与LTE类似，在NR中，为了进一步提高基于波束的接入中传输的鲁棒性，可以考虑具有不同波束的信号/信息的组合，如图6所示。组合的信号/信息可以包括具有不同波束的多个广播信道或具有不同波束的多个系统信息等。

波束赋形同步信号/广播信道可用于帧/子帧/符号定时。然而，如果子帧索引和符号索引都通过PBCH进行，则具有不同波束的PBCH的内容需要不同。然后，不可能执行在不同资源处发送的PBCH的组合以增强PBCH检测性能。

另一方面，如果同步信号单独携带子帧/符号索引信息，则需要大量不同的同步信号资源来识别不同的子帧/帧索引。UE的盲检测复杂度和功耗将显著增加。同时，应当注意，多个波束赋形同步信号的多个资源位置可能导致帧定时的模糊性。初始接入过程中的帧定时模糊问题需要在NR中进一步研究。

NR中初始接入的其他可靠增强方法

• 基于重复的接入

在LTE Rel-13 eMTC上，针对LTE信道和信号（如PBCH、PDCCH等）指定了基于重复的方案。在以低移动性和窄频带运行的NR中，基于重复的方法也可以与基于波束的方法联合考虑。

• SFN

SFN是一种众所周知的提高覆盖率的技术，特别是对于广播信号/频道。该方案通常假设小区之间密集部署基站/TRP。考虑到密集城市是NR中的一个重要部署场景，SFN可能是干扰受限场景中覆盖扩展的补充解决方案。

• 功率提升

功率提升是扩展窄带同步和广播信号覆盖范围的另一种选择。功率提升方法具有一些优点，例如所需的预期规范工作量最小。